KR20180036037A - 펌프 효율 산출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 펌프 효율 산출방법은 펌프의 설계를 변경하지 않고 모터의 출력 토크를 검출하여, 방법을 적용하여 검출한 모터의 출력 토크를 이용함으로써, 펌프 효율 산출의 정확도를 높일 수 있으며, 이로 인해 펌프 제작, 펌프 설치, 펌프 시운전, 펌프 유지보수 등의 과정에서 펌프의 효율뿐만 아니라 모터의 상태를 정확하게 판단할 수 있게 되므로, 모터와 펌프의 유지보수 시점을 사용자가 정확하게 판단할 수 있다.

Description

펌프 효율 산출방법{pump efficiency measuring method}
본 발명은 펌프 효율 산출방법에 관한 것으로, 특히 펌프 모터 권선의 저항값과 펌프 모터에 공급되는 순시전압값과 순시 전류값에 의한 펌프 모터의 출력 토크와, 모터 회전축 또는 펌프 회전축에 장착된 회전속도센서에 의해 검출된 펌프 모터의 회전속도에 의해 펌프의 운전상의 실제 펌프모터의 축동력을 산출하도록 하여 정확한 펌프 효율을 산출할 수 있는 펌프 효율 산출방법에 관한 것이다.
펌프는 대부분이 모터에 의해서 구동되며, 사용하고자 하는 유체의 종류, 유량, 펌핑양정에 따라 선정되어 사용된다.
사용자는 펌프의 성능이나 에너지 효율 등에 따라 그에 맞는 적합한 펌프를 사용하여야 한다.
펌프 효율(%)은 (펌프의 수동력/모터의 축동력)×100 이고, 펌프의 수동력(㎾)은 밀도(kg/㎥) x 중력가속도(9.8m/sec²) x 유량(㎥/sec) x 양정(m)에 의해 산출된다.
모터의 축동력(kW)은 모터 전력 입력값(kW) x 모터 효율에 의해 산출할 수 있으나, 모터 효율은 제작사가 제공하는 값을 사용하거나 산업계에서 일반적으로 통용되는 값을 사용하여 모터의 축동력을 산출한다.
실제 펌프 운전시 모터 효율은 모터 제작 공정, 펌프의 사용시간 경과에 따른 모터의 열화, 모터의 유지보수나 정비 결과 등에 따라 달라질 수 있으므로, 모터의 효율을 가정하고 모터의 축동력을 산출하는 경우 많은 오차를 포함하게 되므로 모터의 축동력을 정확하게 산출할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
이를 해결하기 위해 펌프운전에 따른 실제 모터의 축동력을 산출할 수 있으며, 실제 모터의 축동력은 측정한 모터 토크(kN·m) x 측정 모터 회전수(rad/sec)에 의해 산출한다. 이러한 실제 모터의 축동력을 산출하기 위해서는 모터 회전축과 펌프 회전축 사이에 토크 센서를 장착하고, 모터 회전축 또는 펌프 회전축에 회전 속도 측정 센서를 장착하여, 직접 펌프 모터의 출력 토크와 회전 속도를 측정한 후, 모터의 출력 토크와 회전 속도를 곱하여 정확하게 계산할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0081832호 "전동펌프 성능 시험장치"(공개일자 : 2009.07.29)에는 모니터부를 이용하여 전동펌프의 모터를 제어하여 전동펌프를 구동시키고, 이 후 유체센서, 모터센서, 펌프내의 회전자의 회전토크 검출을 위한 토크센서와 회전자의 회전율을 검출하는 알피엠센서 등을 이용하여 전동펌프의 구동에 따른 유체의 이송량, 압력, 온도, 펌프의 회전자의 토크, 회전수를 검출하여 전동펌프의 동작상태 데이터로서 신호처리부를 통해 수신하는 전동펌프 성능 시험장치가 개시되어 있다.
상기 종래기술은 모터의 토크를 직접 측정하여 실제 모터의 축동력을 산출하기 위해서는 모터 회전축과 펌프 회전축 사이에 토크 센서를 장착하여야 하나, 이러한 토크 센서는 고가이고, 베드에 안착되어 있는 모터와 펌프 사이에 토크 센서를 장착할 수 있도록 공간을 확보하기 위해 펌프의 설계를 변경할 필요가 있으며, 모터 회전축, 토크 센서 회전축 및 펌프 회전축의 중심이 일치하도록 설치 작업을 수행해야 한다.
또한, 토크 센서의 정확도를 유지하기 위해서는 주기적으로 교정해야 하는데, 매교정시 마다 토크 센서의 분리, 재설치 및 축 중심 맞추기 작업을 반복해야 하므로, 이와 같은 작업은 비용과 인력이 많이 투입되어야 하기 때문에 펌프의 성능을 시험하기 위해 토크 센서를 현장의 펌프에 설치하는 것은 현실적으로는 불가능하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0081832호 "전동펌프 성능 시험장치"(공개일자 : 2009.07.29)
본 발명의 목적은 펌프 모터에 공급되는 순시 전압 측정값과, 순시 전류 측정값과, 모터 권선의 저항값을 이용하여 검출한 모터의 출력 토크와, 모터 회전축 또는 펌프 회전축에 회전속도센서를 장착하여 측정한 측정 회전 속도를 이용하여 모터의 축동력을 산출하여 모터 회전축과 펌프 회전축의 설계변경 없이 모터의 축동력과 펌프 효율 계산의 정확도를 개선할 수 있는 펌프 효율 산출방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 펌프 효율 산출방법은, 모터로 기동되는 펌프의 펌프 효율 산출방법에 있어서, 상기 펌프의 운전 정지시 상기 모터 권선의 평균 저항과, 상기 펌프의 흡입구 높이와 흡입구 직경과, 상기 펌프의 토출구 높이와 토출구 직경을 측정하는 펌프기동전 측정단계; 상기 펌프의 운전 동작시 상기 펌프의 후단측으로 유체가 토출되는 토출유량과, 상기 펌프 전단의 전단유체압력과 전단유체온도와, 상기 펌프 후단의 후단유체압력과 후단유체온도와, 상기 모터에 공급되는 순시 전압과 순시 전류와, 상기 모터의 모터회전속도를 측정하는 펌프운전중 측정단계; 상기 전단유체압력과 전단유체온도에 의해 상기 펌프 전단의 전단유체밀도를 산출하고, 상기 후단유체압력과 후단유체온도에 의해 상기 펌프 후단의 후단유체밀도를 산출하는 유체밀도 산출단계; 상기 토출유량과, 전단유체밀도와, 후단유체밀도에 의해 상기 펌프로 유입되는 유입유량을 산출하는 유입유량 산출단계; 상기 유입유량과 토출유량과, 흡입구 직경과, 토출구 직경에 의해 상기 펌프 흡입구의 흡입구 유체속도와, 상기 펌프 토출구의 토출구 유체속도를 산출하는 유체속도 산출단계; 상기 전단유체밀도와, 후단유체밀도와, 전단유체압력과, 후단유체압력과, 흡입구 높이와, 토출구 높이와, 흡입구 유체속도와, 토출구 유체속도와 중력가속도에 의해 상기 펌프의 펌프양정을 산출하는 펌프양정 산출단계; 상기 후단유체밀도와, 토출유량과, 펌프양정과 중력가속도에 의해 상기 펌프의 펌프 수동력을 산출하는 펌프수동력 산출단계; 상기 모터 권선의 평균 저항과, 상기 모터에 공급되는 순시 전압과 순시 전류에 의해 모터출력토크를 산출하는 모터출력토크 산출단계; 상기 모터출력토크와 모터회전속도에 의해 상기 모터의 모터 축동력을 산출하는 모터축동력 산출단계; 및 상기 펌프 수동력과 모터 축동력에 의해 상기 펌프의 펌프 효율을 산출하는 펌프효율 산출단계를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 펌프 효율 산출방법은 펌프의 설계를 변경하지 않고 모터의 출력 토크를 검출하여, 방법을 적용하여 검출한 모터의 출력 토크를 이용함으로써, 펌프 효율 산출의 정확도를 높일 수 있으며, 이로 인해 펌프 제작, 펌프 설치, 펌프 시운전, 펌프 유지보수 등의 과정에서 펌프의 효율뿐만 아니라 모터의 상태를 정확하게 판단할 수 있게 되므로, 모터와 펌프의 유지보수 시점을 사용자가 정확하게 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 펌프 효율 산출방법을 도시한 순서도이고,
도 2는 본 발명의 펌프 효율 산출방법을 설명하기 위한 각 센서들의 위치를 나타낸 펌프의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 펌프 효율 산출방법을 상세히 설명하고자 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펌프 효율 산출방법은, 펌프(10)의 운전 정지시 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 펌프(10)의 흡입구 높이(h1)와 흡입구 직경(D1)과, 펌프(10)의 토출구 높이(h2)와 토출구 직경(D2)을 측정하는 펌프기동전 측정단계(S10)와, 펌프(10)의 운전 동작시 펌프(10)의 후단측으로 유체가 토출되는 토출유량(Q2)과, 펌프(10) 전단의 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)와, 펌프(10) 후단의 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)와, 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)와, 모터(20)의 모터회전속도(w)를 측정하는 펌프운전중 측정단계(S20)와, 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)에 의해 펌프(10) 전단의 전단유체밀도(ρ1)를 산출하고, 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)에 의해 펌프(10) 후단의 후단유체밀도(ρ2)를 산출하는 유체밀도 산출단계(S30)와, 토출유량(Q2)과, 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)에 의해 펌프(10)로 유입되는 유입유량(Q1)을 산출하는 유입유량 산출단계(S40)와, 유입유량(Q1)과 토출유량(Q2)과, 흡입구 직경(D1)과, 토출구 직경(D2)에 의해 펌프(10) 흡입구의 흡입구 유체속도(Vin)와, 펌프(10) 토출구의 토출구 유체속도(Vout)를 산출하는 유체속도 산출단계(S50)와, 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)와, 전단유체압력(P1)과, 후단유체압력(P2)과, 흡입구 높이(h1)와, 토출구 높이(h2)와, 흡입구 유체속도(Vin)와, 토출구 유체속도(Vout)와 중력가속도(g)에 의해 펌프(10)의 펌프양정(H)을 산출하는 펌프양정 산출단계(S60)와, 후단유체밀도(ρ2)와, 토출유량(Q2)과, 펌프양정(H)과 중력가속도(g)에 의해 펌프(10)의 펌프 수동력(Pwr_H)을 산출하는 펌프수동력 산출단계(S70)와, 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)에 의해 모터출력토크(Tq)를 산출하는 모터출력토크 산출단계(S80)와, 모터출력토크(Tq)와 모터회전속도(w)에 의해 모터(10)의 모터 축동력(Pwr_M)을 산출하는 모터축동력 산출단계(S90)와, 펌프 수동력(Pwr_H)과 모터 축동력(Pwr_M)에 의해 펌프(10)의 펌프 효율(η_P)을 산출하는 펌프효율 산출단계(S100)로 구성된다.
상기의 구성에 따른 본 발명인 펌프 효율 산출방법의 동작은 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 펌프기동전 측정단계(S10)는 펌프(10)의 운전 정지시 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 펌프(10)의 흡입구 높이(h1)와 흡입구 직경(D1)과, 펌프(10)의 토출구 높이(h2)와 토출구 직경(D2)을 측정한다.
펌프운전중 측정단계(S20)는 모터(10)에 3상의 교류전압을 인가하여 모터(10)를 기동시켜 펌프(10)가 운전 동작을 하게 되면, 펌프(10)의 후단측으로 유체가 토출되는 토출유량(Q2)과, 펌프(10) 전단의 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)와, 펌프(10) 후단의 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)와, 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)와, 모터(20)의 모터회전속도(w)를 측정한다.
펌프운전중 측정단계(S20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(10)와 유체가 저장된 탱크(30) 사이의 배관측, 즉 펌프(10)의 전단에는 배관을 통해 펌프(10) 전단으로 유입되는 유체의 압력과 온도를 검출하기 위한 압력센서와 온도센서를 장착하여 펌프(10)의 운전 동작시 압력센서와 온도센서에 의해 펌프(10) 전단의 유체압력인 전단유체압력(P1)과 유체 온도인 전단유체온도(T1)를 검출한다.
상기와 동일한 방법으로 펌프(20) 후단에 압력센서와 온도센서를 장착하여 펌프(10)의 운전 동작시 펌프(20) 후단의 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)를 검출한다.
또한, 펌프(20)의 후단의 배관측에 유량센서(Q)를 장착하여 유량센서(Q)에 의해 펌프(10)의 운전 동작시 펌프(10)의 후단측으로 유체가 토출되는 토출유량(Q2)을 검출하고, 모터(10)에는 3상의 교류전압이 인가되어 모터(10)가 기동되므로, 펌프(10)의 운전 동작시 3상의 교류전압의 순시치인 순시 전압(V1, V2, V3)과 각각의 순시 전압(V1, V2, V3)에 의한 순시 전류(C1, C2, C3)를 검출한다.
또한, 모터(20)의 회전축 또는 펌프(10)의 회전축에는 회전속도 센서를 장착하여 펌프(10)의 운전 동작시 모터(20)의 모터회전속도(w)를 검출한다.
유체밀도 산출단계(S30)는 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)를 이용하여 열역학적 상태량 표에 따라 펌프(10) 전단의 전단유체밀도(ρ1)를 산출하고, 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)를 사용하여 펌프(10) 후단의 후단유체밀도(ρ2)를 산출한다.
유입유량(Q1)은 토출유량(Q2) × (후단유체밀도(ρ2)/ 전단유체밀도(ρ1)) 이므로, 유입유량 산출단계(S40)는 토출유량(Q2)과, 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)에 의해 펌프(10)로 유입되는 유입유량(Q1)을 산출한다.
토출구 유체속도(Vout)는 토출유량(Q2)/(π x 토출구 직경(D2)²/ 4)이고, 흡입구 유체속도(Vin)는 유입유량(Q1)/(π x 유입구 직경(D1)²/ 4)이므로, 유체속도 산출단계(S50)는 펌프(10) 흡입구의 흡입구 유체속도(Vin)와, 펌프(10) 토출구의 토출구 유체속도(Vout)를 각각 산출한다.
펌프양정(H)은 P2 / (ρ2 × g)－ P1 / (ρ1 × g) ＋ (h2－h1) ＋ (Vin²+Vout²) / (2 × g)이므로, 펌프양정 산출단계(S60)는 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)와, 전단유체압력(P1)과, 후단유체압력(P2)과, 흡입구 높이(h1)와, 토출구 높이(h2)와, 흡입구 유체속도(Vin)와, 토출구 유체속도(Vout)와 중력가속도(g)에 의해 펌프(10)의 펌프양정(H)을 산출한다.
펌프 수동력(Pwr_H)은 ρ2 × g × Q2 × H이므로, 펌프수동력 산출단계(S70)는 후단유체밀도(ρ2), 토출유량(Q2), 펌프양정(H), 중력가속도(g)에 의해 펌프(10)의 펌프 수동력(Pwr_H)을 산출한다.
모터출력토크 산출단계(S80)는 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)에 의해 모터출력토크(Tq)를 산출한다.
모터 축동력(Pwr_M)은 모터출력토크(Tq)×모터회전속도(w)이므로, 모터축동력 산출단계(S90)는 모터 축동력(Pwr_M)을 산출한다.
펌프 효율(η_P)은 (펌프 수동력(Pwr_H)/모터 축동력(Pwr_M))×100 이므로, 펌프효율 산출단계(S100)는 펌프 효율(η_P)을 산출한다.
상기와 같은 방법에 의해 본 발명의 펌프 효율 산출방법은 펌프의 설계를 변경하지 않고 모터출력토크 산출단계(S80)에서 모터(20)의 모터출력토크(Tq)를 검출하고, 검출된 모터출력토크(Tq)에 의해 펌프효율 산출단계(S100)에서 펌프 효율(η_P)을 산출함에 따라 펌프 효율 산출의 정확도를 높일 수 있다.
이와 같이 정확하게 산출된 펌프 효율(η_P)에 근거하여 펌프 제작, 펌프 설치, 펌프 시운전, 펌프 유지보수 등의 과정에서 펌프의 효율뿐만 아니라 모터의 상태를 정확하게 판단할 수 있어 모터와 펌프의 유지보수 시점을 사용자가 정확하게 판단할 수 있다.

Claims (1)

  1. 모터(20)로 기동되는 펌프(10)의 펌프 효율 산출방법에 있어서,
    상기 펌프(10)의 운전 정지시 상기 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 상기 펌프(10)의 흡입구 높이(h1)와 흡입구 직경(D1)과, 상기 펌프(10)의 토출구 높이(h2)와 토출구 직경(D2)을 측정하는 펌프기동전 측정단계(S10);
    상기 펌프(10)의 운전 동작시 상기 펌프(10)의 후단측으로 유체가 토출되는 토출유량(Q2)과, 상기 펌프(10) 전단의 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)와, 상기 펌프(10) 후단의 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)와, 상기 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)와, 상기 모터(20)의 모터회전속도(w)를 측정하는 펌프운전중 측정단계(S20);
    상기 전단유체압력(P1)과 전단유체온도(T1)에 의해 상기 펌프(10) 전단의 전단유체밀도(ρ1)를 산출하고, 상기 후단유체압력(P2)과 후단유체온도(T2)에 의해 상기 펌프(10) 후단의 후단유체밀도(ρ2)를 산출하는 유체밀도 산출단계(S30);
    상기 토출유량(Q2)과, 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)에 의해 상기 펌프(10)로 유입되는 유입유량(Q1)을 산출하는 유입유량 산출단계(S40);
    상기 유입유량(Q1)과 토출유량(Q2)과, 흡입구 직경(D1)과, 토출구 직경(D2)에 의해 상기 펌프(10) 흡입구의 흡입구 유체속도(Vin)와, 상기 펌프(10) 토출구의 토출구 유체속도(Vout)를 산출하는 유체속도 산출단계(S50);
    상기 전단유체밀도(ρ1)와, 후단유체밀도(ρ2)와, 전단유체압력(P1)과, 후단유체압력(P2)과, 흡입구 높이(h1)와, 토출구 높이(h2)와, 흡입구 유체속도(Vin)와, 토출구 유체속도(Vout)와 중력가속도(g)에 의해 상기 펌프(10)의 펌프양정(H)을 산출하는 펌프양정 산출단계(S60);
    상기 후단유체밀도(ρ2)와, 토출유량(Q2)과, 펌프양정(H)과 중력가속도(g)에 의해 상기 펌프(10)의 펌프 수동력(Pwr_H)을 산출하는 펌프수동력 산출단계(S70);
    상기 모터(20) 권선의 평균 저항(R)과, 상기 모터(20)에 공급되는 순시 전압(V1, V2, V3)과 순시 전류(C1, C2, C3)에 의해 모터출력토크(Tq)를 산출하는 모터출력토크 산출단계(S80);
    상기 모터출력토크(Tq)와 모터회전속도(w)에 의해 상기 모터(10)의 모터 축동력(Pwr_M)을 산출하는 모터축동력 산출단계(S90); 및
    상기 펌프 수동력(Pwr_H)과 모터 축동력(Pwr_M)에 의해 상기 펌프(10)의 펌프 효율(η_P)을 산출하는 펌프효율 산출단계(S100)를 구비한 것을 특징으로 하는 펌프 효율 산출방법.
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